基于STEM理念的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目式教學(xué)探索

周茂華 王國(guó)營(yíng) 秦峰

【摘 要】本文基于掌控板、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)話筒跌落監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；融合科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，有效利用掌控板與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；探索利用物聯(lián)網(wǎng)解決實(shí)際問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力。

【關(guān)鍵詞】掌控板；物聯(lián)網(wǎng)；STEM；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

【中圖分類號(hào)】G434 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）07-072-02

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》把物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索列入課程模塊。物聯(lián)網(wǎng)以其全面感知、可靠傳輸、智能處理等特點(diǎn)，推動(dòng)信息科技發(fā)展與普及，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)融合了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)。

掌控板是一款教學(xué)用開源硬件，自帶物聯(lián)模塊，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)采集終端的低成本化，結(jié)合簡(jiǎn)單易用的SIot、Esay Iot、阿里云、OneNet等物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，能夠快速進(jìn)行簡(jiǎn)易物聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建，探索物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集、處理、反饋控制等基本功能，讓物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入中小學(xué)課堂成為可能。并且通過便捷的數(shù)據(jù)采集方式，幫助學(xué)生通過“數(shù)據(jù)探究”的方式去研究科學(xué)問題[1]。

本文基于掌控板設(shè)計(jì)話筒跌落監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采取STEM理念下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方法，探索物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)模式，以期更好地完成教學(xué)目標(biāo)。

項(xiàng)目提出，界定問題

學(xué)生在文藝匯演中發(fā)現(xiàn)，無線話筒不慎跌落，撞擊地面的聲音被音響放大，會(huì)發(fā)出刺耳的聲音，引起聽眾不適。為解決這一問題提出設(shè)計(jì)項(xiàng)目，學(xué)生對(duì)其有一定的了解和認(rèn)知。話筒跌落、音響涉及中學(xué)物理落體運(yùn)動(dòng)、電路結(jié)構(gòu)、聲音傳播、電磁感應(yīng)等知識(shí)。項(xiàng)目場(chǎng)景來源于學(xué)生的生活，涉及科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)知識(shí)，具有一定的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性。

分解問題，抽象特征，提出解決方案

話筒跌落監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)話筒跌落和控制音響靜音的功能。根據(jù)功能，將設(shè)計(jì)問題細(xì)化為以下幾個(gè)小任務(wù)，并抽象其關(guān)鍵特征，提出解決方案。

任務(wù)一：監(jiān)測(cè)話筒跌落。無線話筒跌落過程中空氣阻力影響較小，可看作自由落體運(yùn)動(dòng)，其下落的加速度約為9.8m/s2。因此，用掌控板加速度傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)的感知層，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無線話筒的加速度值，判定無線話筒所處狀態(tài)。

任務(wù)二：數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。使用1956開發(fā)板構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的傳輸，以及加速度數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析。

任務(wù)三：遠(yuǎn)程控制音響靜音。音頻輸入控制器由掌控板和繼電器組成，作為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層。當(dāng)掌控板接收到物聯(lián)網(wǎng)控制信號(hào)，控制繼電器的斷開或閉合，實(shí)現(xiàn)音響靜音或正常工作的切換。如圖1所示，通過各部分相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交流通信。

圖1 ?話筒跌落監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

硬件組成與軟件設(shè)計(jì)

1.硬件組成

話筒跌落監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩個(gè)掌控板、1956開發(fā)板、固態(tài)繼電器、話筒、音響等組成。

1956開發(fā)板搭載人工智能和物聯(lián)網(wǎng)雙主控，結(jié)合板載集成的硬件和拓展接口，支持完成人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、STEAM、創(chuàng)客教育等各類項(xiàng)目開發(fā)與制作。本文將1956開發(fā)板作為局域網(wǎng)服務(wù)器，搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)感知層和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸。在無互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，也可以應(yīng)用本系統(tǒng)。

固態(tài)繼電器是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)器件，它利用電子元件（如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件）的開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點(diǎn)無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點(diǎn)開關(guān)”。較之電磁繼電器可靠性更高，且無觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、速度快，對(duì)外界的干擾也小，已被廣泛應(yīng)用[2]。

本文設(shè)計(jì)音頻控制器的電路原理如圖2所示。默認(rèn)狀態(tài)下，繼電器閉合，音響正常工作。當(dāng)掌控板收到音響靜音信號(hào)，通過P1口控制繼電器斷開，關(guān)閉音頻信號(hào)輸入，音響靜音。由此可見，繼電器連接著控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，發(fā)揮中介開關(guān)的作用。

圖2 ?音頻控制器電路原理圖

2.軟件設(shè)計(jì)

使用mPython進(jìn)行編程，該軟件有圖形化編程和Python兩種模式，模塊種類多，提供代碼庫(kù)、通用傳感器等，新手很容易使用。程序編寫具體思路如下。（1）首先給系統(tǒng)供電，連接網(wǎng)絡(luò)，建立UDP連接，實(shí)現(xiàn)多對(duì)多物聯(lián)網(wǎng)，開始采集加速度值，若加速度值持續(xù)大于9.7小于10，則判定話筒處于落體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，紅燈警示；否則判定為正常狀態(tài)。將控制信息及采集的加速度數(shù)值上傳SIot服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析測(cè)試（程序略）。（2）音頻控制器接收控制信號(hào)，若正常則繼電器執(zhí)行閉合操作，音頻輸入正常。若落體運(yùn)動(dòng)，則繼電器執(zhí)行斷開操作，切斷音頻輸入，音響靜音（程序略）。

系統(tǒng)的測(cè)試運(yùn)行

硬件連接、程序編寫完成后，開始進(jìn)入測(cè)試運(yùn)行階段。除測(cè)試系統(tǒng)功能外，還需要測(cè)試系統(tǒng)的兩個(gè)重要指標(biāo)。

一是系統(tǒng)響應(yīng)速度，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否在話筒落地前完成靜音功能。二是誤報(bào)率，系統(tǒng)能否規(guī)避因人為劇烈晃動(dòng)話筒使得掌控板誤判話筒跌落，導(dǎo)致音響靜音。如果存在問題，需要進(jìn)一步分析原因，重新設(shè)定參數(shù)或者重新設(shè)計(jì)方案，再次建立模型系統(tǒng)并測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果：程序響應(yīng)時(shí)間約為0.6ms，在此時(shí)間內(nèi)話筒自由下落的高度由h=gt2/2得出約為1.8*10-6m，響應(yīng)速度快。根據(jù)上傳到SIot的加速度數(shù)據(jù)，測(cè)試發(fā)現(xiàn)話筒落體運(yùn)動(dòng)過程中加速度恒定，大小為9.8m/s2，與地面碰撞時(shí)加速度突然變大；人為晃動(dòng)的加速度時(shí)間圖像沒有特定規(guī)律，加速度變化范圍較大。人為極難持續(xù)做出加速度大小恒等于9.8m/s2的運(yùn)動(dòng)。因此，可以調(diào)整加速度取值范圍及持續(xù)時(shí)間，作為無線話筒落體運(yùn)動(dòng)的判定條件，降低誤報(bào)率。

結(jié) ?語(yǔ)

基于STEM理念的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)具有學(xué)科融合性、情境性、趣味性、體驗(yàn)性，著重培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，更符合新時(shí)代素質(zhì)教育的要求。通過話筒跌落監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，學(xué)生可以認(rèn)識(shí)加速度傳感器，理解物聯(lián)網(wǎng)是連接物理世界與數(shù)字世界的紐帶和媒介，有效利用掌控板與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)搭建物聯(lián)系統(tǒng)，探索物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集、處理、反饋控制等基本功能，在解決項(xiàng)目設(shè)計(jì)問題中培養(yǎng)理解、分析、解決問題的思維方式，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。

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